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SMT貼片機方案分析與評估選擇
來源:廣州煌牌自動設備有限公司    日期:2012-12-12    瀏覽量:

  一、前言

  自動化的組件置放機在電路板的組裝上扮演著相當重要的角色,但是組裝業者在采購這類設備時,對于如何選用一部適合且功能完備機并未具備有足夠的知識,在這篇文章中,我們將逐一的討論組件置放機所應具備的功能,在具備了這些知識后,將可輕易的選擇出適當的組件置放機。

  二、關鍵性的差異

  在電子產品不斷的面對輕便的需求,組裝業者希望能從縮小組件尺寸與增加電路板的組裝密度來達成這項要求。近年來隨著覆晶技術逐漸的被采用,組件小型化目標似乎得到解決,實際上還是有些困難待進一步獲得確認,如雖然覆晶在組裝上與傳統表面黏著技術相似采用的接腳都是低溫的共晶錫球,但并不是這樣組件置放機就能輕易的轉而適用于覆晶技術上,傳統的組裝所使用的組件置放機在技術上與覆晶的使用上還有些差距,這些差異主要是在使用于更小間距(小于0.012〞)與更小止境的錫球的組件時是否依然能夠提供與過去一樣的組裝對位質量,組件置放機必須具備有更精確的視覺與對位系統才能得以因應覆晶技術的需求。

  除此之外,時下常見的覆晶間距為0.004〞,錫球的直徑為小于0.002〞,由于在回焊制程前,組件都是利用助焊劑(FLUX)暫時黏附在電路板上,若此時的組件是屬于較小間距時,相對的所具備的助焊劑的量也會較其它較大間距的組件來得少,若助焊劑在沾濕的情況未能盡于完美,或無法提供足夠的附著力將原件固定于焊電墊上時,則將會造成焊接質量不良。上述的問題再在的點出組件置放機應用在覆晶技術時所面臨的問題著實相當復雜。

  一般來說,一部能應用在間距為0.004〞組件,速度約為8 sec/part,其中整個動過程包括吸取組件,移動與視覺系統對位功能的價位約為$400000到$500000,其差異在于所選用配備的要求,雖然這樣的設備已經能夠面對時下的要求,但是否在未來依然適用?這就有賴持續的觀察未來組件形式的發展了。

  三、組件置放機的分辨率與精確度

  顯而易見的,分辨率與精確度對于組件置放機在微小間距組件(fine-pitch-parts)的應用上是相當重要的參數,大致上來說精確度是視覺系統精分辨率與設備在X-、Y-、及Z-方向移動穩定度的函數,簡言之就是在組件放置動作中,放件吸頭在3-D方向移動至設定位置前,系統必須能先“看到”并確認組件其所要放置的位置是否正確。

  所有被試驗的組件置放機的分辨率必須在0.00004〞到0.00008〞這個范圍內,且精確度大約是在0.0004〞到0.002〞間,這樣的結果顯示了在微小間距的使用上,數據是越小越好。而其它的參數(如在組件吸嘴全速運動下之精確度,焊墊與錫球間對位誤差的標準)將影響設備的層級。在這樣的觀點下,時下的高速機所能負荷的組件間距為0.0034〞到0.012〞,我們可以藉有以下的公式來推論組裝時所能容許的最小組件間距:精確度*(100/焊墊與錫球對位誤差的百分率)*2=所適合使用的間距 ex:0.001〞*100/25*2=0.008〞

  若由上面的例子看來,精確度為0.001〞的組件置放機,在有25%對位誤差下,適合使用在間距為0.008〞的組件上,若供貨商所采用的誤差容許度為33%,則上述機臺所使用的組件間距就為0.006〞了。

  四、組件置放機的精確度與驗證

  組件置放機的精確度與連續性可藉由鍍烙在玻璃片的方法(chrome-on-glass)來驗證,其方法是在玻璃片以烙作出刻線,再將此玻璃片放置在組件置放機中,利用基板(substrate)與組件放置位置的基準點(fiducial)來引導機器對位,在完成整個組裝制程后,再透過光學顯微鏡的檢視與光標尺的測量,針對多個位置,再全速運動與來判斷其精確度。

  鍍烙在玻璃片(chrome-on-glass)的檢驗方法是一種人工的制程,盡管如此在機器是否具備某一個程度的精確度這個議題上,還是一種相當有效的驗證方法。有一點是相當重要的,就是當機器剛開機,正進行這種人工式的對位精確度確認的動作勢必定要相當確實,以免影響后序運作時的精度。但也并非所有的這類設備在開始時都會進行類似的動作,且也不是每一家的設備都附有具有鍍烙刻度的玻璃片來幫助校正精確度用。

  此外,組件置放機的熱穩定力也會影響其精確度,為此Jabil的覆晶組件置放機在是使用花崗巖石的基臺與陶瓷的支撐梁來減低這類的影響,既然如此,若設備常時間的勇來處理間距為0.004〞的組件時,是否能自我進行熱校正就相當重要,雖然有的廠商強調其設備無須做這類的校正,但在相關的文戲中還不時強調熱校正的重要性。

  五、置件速率

  一般所指的置件速率大都不包括電路板輸送與視覺對位的步驟,因此各家廠商所公布的速度都相當快,但若將上述兩個動作包含在內一起計算,則速度就會急速降低。例如:若不含該兩個項目,則一般速率都在2000pph左右,但若加上這兩個項目則速率就劇降為800pph了。

  環顧時下的組件置放機在執行吸取組件、沾助焊劑、視覺對位以及置件大約花費2.5至8秒左右,若能夠將沾助焊劑、錫膏或者是導電膠等相關制程分離出來,使之不在組件置放的機置中運作,則可效的縮短置件的時間。除此之外,若能在縮短吸嘴移動的距離也可達到相同的效果。

  六、輸送

  通常電路板在組件置放機中高速移動時,組件盡靠具有黏性的助焊劑黏著著,若電路板的移動,啟動或停頓動作過大,則很有可能會造成組件移位進而混亂,所以輸送系統在輸送電路板的過程中,在三個不同區域必須要具備個別的速度控制單元。

  在第一個區域中,系統必須盡可能的以高速將電路板輸送到預定的位置(在這個部份組件通常的藉由先前所沾上之錫膏提供足夠的黏性以應付高速的移動)這個區域主要是要將覆晶(flip chip)轉放到電路板上。

  第二個區域(通常稱為組裝區)則要以較慢的速度移動,因為覆晶(flip chip)在這個階段中已完成組裝。

  第三個區域(通常被稱為脫離區)是將電路板送出組件置放機。助焊劑在這扮演相當重要角色,增加助焊劑的量將可提供覆晶(flip chip)更大的黏著力,就可以較高的速度運送電路板,如此也可提高產能,但也會面臨到一些問題,亦即若未與清潔系統結合,殘留的助焊即將會造成覆晶(flip chip) 焊接不良。

  七、電路板的對準

  由于覆晶(flip chip)所用到的基板尺寸不一,在電路板的對準上會造成不同程度的問題,有些組件置放機的基板是以真空吸附(vacuum clamping)的方式來固定,這在較薄基板的使用上是相當有疑問的,薄的基板在平整度的要求是較難達成的,雖然在真空系統運作的同時基板是相當平整,但當真空去除后,基板將會回復原先的彎曲,另外,若組件僅靠助焊劑的黏性暫時固定組件,則再基板移動后將很容易發生組件移位,雖然可以加上一塊硬板的方式來強化基板,但這樣一來真空系統就不再有作用。部份的真空系統會與一特制的制具相互配合,相對的價格也相對的提高了。

  八、可調整的置件壓力

  置件吸嘴的向下壓力也是組件置放機的一項相當重要的參數,對于組件而言需要一足夠的下壓力使其能準確的放置在焊墊上,但又不能過大到使組件從焊墊上滑開。一般向下的壓力是每個凸塊(bump)3 到10g。

  九、視覺系統

  視覺系統在覆晶組件置放機中最重要的單元之一,視覺系統除了辨認焊錫接點外,同時也具備檢視組件尺寸以確認吸嘴所吸取的組件是否正確的功能。影響視覺系統好壞的參數有倍率(gain),偏位(offset) 與臨界值(threshold) 以及視覺工具,有了這個部份將可有效的處理微小間距的組件。當組件的間距縮小時,焊錫接點也相對的要被迫縮小,舉例而言,間距為0.004〞的組件的焊錫接點高度約為0.002〞,當焊錫接點被縮小到相當接近芯片時,就算將影像放大,辨視上還是相當困難,因為芯片表面的保護層(passivation)的顏色與焊錫接點的顏色是相當接近的。

  另外還有一個問題是發生在基板上的基準點(fiducial)上,由于覆晶(flip chip)的尺寸相當小,在某些情況下,一些標準的基準點居然比芯片大,要解決這個問題,必須要控制視覺系統的搜尋區域(search)。

  十、上助焊劑的方法

  助焊劑在此一組裝制程中相當重要,我們希望其能具備有足夠的黏性,絕佳的沾濕力,與能盡量的減少殘留量,特別是殘留量的問題將會對焊接的好壞造成影響,因為若助焊劑殘留在底膠填充劑(underfill)的流動路徑上的話,將會不利其附著,這樣在彌補CTE不匹配的功效就大打折扣了。

  一般在覆晶(flip chip)技術中上助焊劑的方法有許多種,包括有用噴灑的(spray),用滴漏的 (drip),還有用沾浸的(dip)。

  噴灑是在組裝組件遣將液態的助焊劑以噴嘴霧化噴灑在要放置組件的區域。

  滴漏是將液態的助焊劑滴在要放置組件區域的中心。

  沾浸是將液態的助焊劑滴轉盤上,再利用刮刀控制其厚度與平整度,隨后以吸嘴吸起組件在轉盤上沾浸上助焊劑。在中、低速的組件置放機可考慮采用此一系統,這種用轉盤來制造固定厚度助焊劑的系統必須要特別留意污染的問題。

  若上助焊劑的動作是被分離到另外一個制程而非與組件置放機在同一個機制下,如交給印刷機來做此一步驟,將可大大的提升產能。

  十一、組件的處理

  業界對于如何處理裸晶(bare-die)組件并無特別的規范,一般所常用的有waffle paks,gel paks,expended wafer systems,與surf tape等方法。gel paks與expended wafer systems需要用到自動化的真空處理系統,而waffle paks或waffle-paks trays則無需使用到真空裝置,但較為其它方法來得復雜。另外,surf-tape system要使用一種被稱為鰭狀供料裝置(flipper feeder)的設備,這種供料系統與傳統的SMT制程所使用到的tape-and-reel feeder在外型上與功能上類似,缺點是在將組件放入surf-tape是相當困難的;若能設計出更好的pocket-size, 則在未來,標準的tape-and-reel將會更廣泛的被采用。

  所有的制造商都有提供基本的材料供給裝置(feeder),但鰭狀的材料供給裝置(flipper feeder)與晶圓材料供給裝置(expended wafer feeder)則是屬于選用配備,expended wafer feeder是屬于一種高速/低兼容性的組件處理方式,這點是可以被理解的,因為完整的晶圓在處置上是相當困難的。

  十二、結論

  由于標準的SMT制程與覆晶(flip chip)組裝技術還有些不足之處,主要是在精確度的要求上,覆晶(flip chip)技術的特點就是在其尺寸與間距都相當的小,在傳統的SMT制程所使用的組件置放機未必刊用,正因為這樣,更促使業界需要在進一步的發展出新型的技術以擴充設備的能力與特性。另外,在助焊劑的制程與材料上也還有許多地方未盡完美,這也有賴業者發展出新一待的方法與技術,以期能與覆晶(flip chip)技術匹配。在這樣的前提下就需要設備工程師們先一步的研究出更新、更方便的設備以推動新型式的制程。

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